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曹俊诚 著

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• 太赫兹
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• 微波光子学
• 电子工程
• 物理学
• 材料科学
• 通信

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030334022

商品编码：29524894172

包装：精装

出版时间：2012-02-01

基本信息

书名：半导体太赫兹源、探测器与应用

定价：98.00元

作者：曹俊诚

出版社：科学出版社

出版日期：2012-02-01

ISBN：9787030334022

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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太赫兹(THz)科学与技术是一个应用前景广泛、发展极其迅速的交叉学科前沿领域。THz波具有不同于微波、红外光以及x射线的特点，其研究与应用涉及物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息技术和国防安全等多个领域。曹俊诚编著的《半导体太赫兹源探测器与应用(精)》主要以原始论文、尤其是以作者课题组的工作为基础，对半导体THz辐射源与探测器的基本原理、模拟与设计、器件研制方法以及THz通信与成像应用等，做了比较系统的阐述。

内容提要

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本书主要论述了半导体太赫兹（THz）辐射源与探测器的基本原理、模拟与设计、器件研制方法以及THz通信与成像应用等。全书共分11章，包括章THz波产生、探测与应用概述；第2章THz场与低维半导体的相互作用及高场电子输运；第3章电子学THz振荡器与器件模拟；第4章THz半导体负有效质量振荡器非线性动力学；第5章THz场作用下微带超晶格非线性动力学；第6章石墨烯THz光电特性；第7章THz半导体量子级联激光器；第8章THz半导体量子阱探测器；第9章THz波的传输；0章THz通信；1章THz成像。
本书适合从事THz、红外、微波、天文和生物医学等领域的工程技术人员，以及大专院校和科研院所相关专业的本科生、研究生和科研工作人员参考。

目录

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前言
章 THz波产生、探测与应用概述
1.1 引言
1.2 THz波的产生
1.3 THz波的探测
1.4 THz波的应用
1.5 小结
参考文献
第2章 THz场与低维半导体的相互作用及高场电子输运
2.1 THz场与异质结的相互作用
2.1.1 引言
2.1.2 THz场作用下异质结的电子输运
2.1.3 THz场作用下异质结的多光子辅助吸收
2.1.4 THz场感生的异质结带间碰撞离化
2.1.5 小结
2.2 THz场作用下量子阱的光吸收
2.2.1 引言
2.2.2 光场作用下量子阱中电子的哈密顿量
2.2.3 量子阱子带间泵浦-探测光吸收
2.2.4 量子阱子带跃迁的相干控制
2.2.5 THz场作用下量子阱子带占据数和吸收
2.2.6 THz场作用下量子阱带间光吸收
2.2.7 小结
2.3 THz场作用下超晶格的光吸收
2.3.1 引言
2.3.2 准玻色表象及激子运动方程
2.3.3 THz场作用下超晶格的光吸收与极化
2.3.4 小结
2.4 半导体高场电子输运
2.4.1 引言
2.4.2 多能谷半导体高场电子输运
2.4.3 非抛物半导体高场电子输运
2.4.4 多能谷非抛物带半导体的碰撞离化过程
2.4.5 小结
参考文献
第3章 电子学THz振荡器与器件模拟
3.1 p型量子阱THz负有效质量振荡器
3.1.1 引言
3.1.2 负有效质量半导体稳态输运
3.1.3 THz电流振荡模式与频率
3.1.4 小结
3.2 基于带内反射点负微分电导的THz振荡器
3.2.1 引言
3.2.2 基于带内反射点的THz振荡器设计
3.2.3 带内反射点THz振荡器模拟
3.2.4 小结
3.3 隧穿注入渡越时间THz振荡器
3.3.1 引言
3.3.2 量子传输边界方法
3.3.3 器件的直流及小信号输运特性
3.3.4 小结
3.4 双势垒共振隧穿结构THz振荡器
3.4.1 引言
3.4.2 维格纳-泊松耦合模型
3.4.3 共振隧穿结构的Ⅰ-Ⅴ特性
3.4.4 共振隧穿结构的THz电流振荡
3.4.5 共振隧穿结构快速开关特性
3.4.6 小结
3.5 半导体器件的流体动力学模拟
3.5.1 引言
3.5.2 抛物性流体动力学平衡方程器件模拟
3.5.3 非抛物能带半导体器件模拟
3.5.4 多能谷非抛物能带半导体器件模拟
3.5.5 小结
参考文献
第4章 THz半导体负有效质量振荡器非线性动力学
4.1 引言
4.2 THz负有效质量振荡器混沌动力学
4.2.1 直流偏置下的THz振荡
4.2.2 周期态和混沌态之间的转变
4.3 THz负有效质量振荡器的场畴模式
4.4 THz场作用下电流的庞加莱分支图
4.5 THz场作用下电流的功率谱分支图
4.6 小结
参考文献
第5章 THz场作用下微带超晶格非线性动力学
5.1 微带超晶格振荡器中时空电场畴和负微分电导
5.1.1 引言
5.1.2 微带超晶格中的电场畴和负微分电导
5.1.3 微带宽度和掺杂浓度的影响
5.1.4 小结
5.2 THz场作用下微带超晶格中电流的时空同步和混沌
5.2.1 引言
5.2.2 电场畴与自维持电流振荡
5.2.3 同步振荡与电流抑制
5.2.4 THz场作用下微带超晶格的混沌动力学
5.2.5 小结
5.3 THz场与磁场作用下微带超晶格混沌动力学
5.3.1 引言
5.3.2 超晶格微带电子输运
5.3.3 超晶格微带中电子平均速度的演化
5.3.4 微带超晶格的混沌动力学特性
5.3.5 小结
5.4 THz场作用下量子点超晶格中的混沌动力学
5.4.1 引言
5.4.2 量子点超晶格电子输运
5.4.3 速度-电场关系与弛豫频率
5.4.4 THz场作用下量子点超晶格的混沌动力学
5.4.5 混沌区域与控制参数的依赖关系
5.4.6 小结
参考文献
第6章 石墨烯THz光电特性
6.1 引言
6.2 石墨烯多量子阱中的共振隧穿
6.2.1 石墨烯系统的传输矩阵方法
6.2.2 石墨烯多量子阱电子输运特性
6.3 石墨烯pn结在THz频段的三阶非线性光电导
6.3.1 石墨烯pn结带内和带间光电导理论模型
6.3.2 三阶非线性THz光电导
6.4 石墨烯在THz频段的五阶非线性光电导
6.4.1 石墨烯带间光电导理论模型
6.4.2 五阶非线性THz光电导
6.5 双层石墨烯纳米带的强THz光电导
6.6 小结
参考文献
第7章 THz半导体量子级联激光器
7.1 引言
7.2 THz QCL研究进展
7.3 THz QCL原理与设计
7.3.1 THz QCL基本原理
7.3.2 THz QCL有源区设计
7.3.3 THz QCL波导设计
7.3.4 THz QCL功率增强设计
7.4 THz QCL模拟方法
7.4.1 量子动力学方法
7.4.2 蒙特卡罗方法
7.4.3 率方程方法
7.5 四阱共振声子THz QCL
7.5.1 热声子效应
7.5.2 粒子数反转与增益
7.5.3 Ⅰ-Ⅴ特性
7.5.4 温度特性
7.6 三阱共振声子THz QCL
7.6.1 多体效应
7.6.2 参数优化
7.6.3 声子阱的影响
7.7 一阱注入区共振声子THz QCL
7.7.1 电场依赖关系
7.7.2 温度依赖关系
7.8 THz QCL制备与测量
7.8.1 THz QCL材料生长与表征
7.8.2 双面金属波导THz QCL
7.8.3 半绝缘等离子波导THz QCL
7.8.4 光谱测量
7.8.5 功率测量
7.8.6 光束表征
7.9 小结
参考文献
第8章 THz半导体量子阱探测器
8.1 引言
8.2 THz QWP探测原理
8.3 THz QWP器件模拟
8.3.1 模拟方法概述
8.3.2 有源区能带计算
8.4 THz QWP暗电流
8.4.1 暗电流模型
8.4.2 理论与实验的暗电流比较
8.5 THz QWP光电流谱
8.5.1 光电流产生机制
8.5.2 光吸收系数
8.5.3 理论与实验的光电流谱比较
8.6 THz QWP多体效应
8.6.1 包括多体效应的能带结构
8.6.2 考虑多体效应的光电流谱
8.7 THz QWP光栅耦合
8.7.1 光栅耦合的基本考虑
8.7.2 光栅衍射理论
8.7.3 金属光栅设计与优化
8.8 THz QWP制备与测量
8.8.1 THz QWP制备
8.8.2 THz QWP测量
8.8.3 THz QWP对THz QCL发射谱的表征
8.9 磁场调谐的THz QWP
8.9.1 稀磁半导体的色散与吸收模型
8.9.2 磁场下吸收峰可调的THz QWP
8.10 基于磁阻振荡的新型THz量子阱探测器
8.10.1 THz场辐照下量子阱的磁阻振荡
8.10.2 新型THz量子阱探测器设计
8.11 小结
参考文献
第9章 THz波的传输
9.1 引言
9.2 THz波在大气中的传输
9.3 THz波在不同介质中的传输
9.4 THz波在金属丝波导中的传输
9.5 小结
参考文献
0章 THz通信
10.1 引言
10.2 THz局域通信中的光子晶体反射器
10.2.1 光子晶体的THz波反射率
10.2.2 THz波反射器
10.3 THz波的调制
10.3.1 THz QCL的直接调制
10.3.2 光子晶体对THz波的调制
10.4 基于THz QCL和THz QWP的无线通信演示
10.4.1 系统构成
10.4.2 器件制冷
10.4.3 文本传输
10.4.4 图片传输
10.4.5 音频传输
10.5 小结
参考文献
1章 THz成像
11.1 引言
11.2 THz成像分类与特点
11.3 基于THz QCL和THz QWP的探测与成像技术
11.3.1 THz QCL的锁频技术
11.3.2 THz QCL作为本振源的混频技术
11.3.3 THz QWP阵列探测技术
11.4 基于THz QCL和THz QWP的成像实例
11.4.1 基于THz QCL的成像研究进展概述
11.4.2 基于THz QCL的主动扫描成像
11.4.3 基于THz QWP的被动成像
11.4.4 基于THz QWP的透射扫描成像
11.4.5 基于THz QCL和THz QWP的计算机断层成像
11.5 小结
参考文献

作者介绍

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曹俊诚，1967年生于江西，1994年于东南大学电子工程系获博士学位。现为中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、博士生导师，国家杰出青年基金、中国科学院“百人计划”、上海市自然科学牡丹奖获得者，新世纪百千万人才工程*人选。2004～2010年担任中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室主任，2011年起担任中国科学院太赫兹固态技术重点实验室主任。主要从事太赫兹物理、器件及通信与成像应用等方面的研究。

文摘

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序言

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现代工业的脉搏：高性能激光技术在制造业中的变革性应用 本书深入探讨了高性能激光技术如何以前所未有的深度和广度重塑现代制造业的方方面面。从精密的微加工到大规模的材料处理，激光以其独特的能量聚焦、高指向性和可控性，正在成为驱动产业升级和创新的核心力量。我们将逐一剖析不同类型的先进激光器，它们在材料加工、精密制造、以及新兴工业领域中扮演的关键角色，并展望其未来的发展趋势。 第一章：高性能激光器的原理与分类 本章将从激光的基本原理出发，详细介绍不同类型高性能激光器的核心技术和工作机制。我们将聚焦于那些在工业应用中表现出卓越性能的激光器，包括但不限于： 固体激光器： 重点介绍Nd:YAG、光纤激光器、盘式激光器等。我们将深入解析它们的增益介质、泵浦方式、谐振腔设计等，并解释为何它们能在高功率、高光束质量方面取得突破。特别地，我们将详细阐述光纤激光器凭借其优异的热管理能力、光束质量和高电光转换效率，在工业界引发的革命性影响。 气体激光器： 重点讨论CO2激光器和准分子激光器。虽然CO2激光器在传统工业加工中已广泛应用，但我们仍将探讨其在高功率输出和特定波长应用方面的最新进展。准分子激光器则因其在紫外波段的独特性，在精细加工和生物医学应用中的潜力进行阐述。 半导体激光器： 介绍二极管激光器（LD）和光纤耦合二极管阵列（LDA）的原理。我们将强调其小型化、高效率和易于集成等优势，以及在直接材料加工、泵浦光源等方面的应用。 新型激光器技术： 触及飞秒激光、皮秒激光等超快激光技术。我们将解释超快脉冲的独特物理效应，如“冷加工”特性，以及其在处理脆性材料、高反射率材料和实现亚微米级加工精度方面的颠覆性潜力。 第二章：激光在材料加工中的核心应用 本章将聚焦于激光技术在材料加工领域最具代表性和影响力的应用，展示其如何实现传统工艺难以企及的精度、效率和灵活性。 激光切割： 详细阐述不同类型激光器（光纤激光器、CO2激光器）在金属、非金属材料切割中的优势。我们将分析影响切割质量的关键参数，如功率、波长、脉冲特性、聚焦方式、以及气辅作用。通过对比传统切割方式，突出激光切割在精度、速度、热影响区控制、以及材料适应性方面的卓越表现。 激光焊接： 深入研究激光焊接的原理，包括不同焊接模式（深熔焊、键合焊）的应用。我们将重点介绍光纤激光器在高功率密度焊接中的突破，以及其在汽车、航空航天、电子制造等行业实现高强度、低变形焊接的案例。同时，也会讨论激光焊接在异种材料焊接和微连接方面的进展。 激光表面处理： 涵盖激光熔覆、激光淬火、激光冲击强化、激光清洗等工艺。我们将分析这些工艺如何通过精确控制能量输入，实现材料表面的性能提升，例如提高硬度、耐磨性、耐腐蚀性，以及去除污染物。 激光增材制造（3D打印）： 重点介绍激光粉末床熔融（SLM/DMLS）、激光定向能量沉积（DED）等基于激光的3D打印技术。我们将解析激光在此过程中的关键作用，如何精准控制金属粉末的熔化和凝固，实现复杂结构件的逐层构建。同时，也会探讨激光3D打印在航空航天、医疗器械、定制化生产等领域的颠覆性潜力。 第三章：精密制造中的激光赋能 本章将聚焦于激光技术在实现高精度、微纳尺度制造方面的关键作用，展示其如何满足现代电子、光学、生物等领域日益严苛的制造需求。 激光微加工： 详细介绍激光在微孔加工、微槽加工、薄膜刻蚀、图案化等方面的应用。我们将探讨超快激光器（飞秒、皮秒）在此类加工中的独特优势，如何实现无热损伤、高精度、高深径比的加工。 激光显微镜与计量： 介绍激光在先进成像和测量技术中的应用。例如，激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）在细胞成像和材料表征中的应用，以及激光干涉仪在精密位移测量和三维形貌检测中的重要作用。 激光光刻技术： 探讨激光在半导体光刻、微纳器件制造中的应用，特别是深紫外（DUV）和极紫外（EUV）激光光刻技术，它们是支撑现代集成电路制造的关键技术。 激光在显示技术中的应用： 介绍激光在激光电视、Micro-LED显示等领域的技术原理和发展趋势，分析激光光源如何带来更广色域、更高亮度、更长寿命的显示效果。 第四章：新兴工业领域的激光应用 本章将探索激光技术在快速发展的新兴工业领域中的前沿应用，展现其作为多功能工具的巨大潜力。 激光在新能源领域的应用： 太阳能电池制造： 介绍激光钻孔、激光刻蚀、激光退火等工艺在提高太阳能电池效率和降低生产成本中的作用。 锂电池制造： 探讨激光焊接在电池极片、电池壳体连接中的应用，以及激光清洗在提升电极材料性能方面的潜力。 氢能技术： 讨论激光在燃料电池膜电极制造、储氢材料加工等方面的潜在应用。 激光在生物医学领域的应用： 激光手术与治疗： 介绍各类激光器（CO2激光、钬激光、飞秒激光）在眼科、皮肤科、外科手术等领域的应用，以及其精确、微创的治疗优势。 激光诱导荧光（LIF）与诊断： 探讨激光在生物成像、疾病诊断（如癌症早期筛查）中的应用。 激光在药物研发与输送中的应用： 介绍激光辅助药物合成、激光诱导基因转染等前沿技术。 激光在通信领域的应用： 光通信： 简述半导体激光器作为光通信光源的基础作用，以及光纤激光器在长距离、高带宽通信中的重要性。 激光雷达（LiDAR）： 介绍激光雷达在自动驾驶、三维测绘、环境监测等领域的关键技术和应用。 激光在环境监测与保护领域的应用： 激光遥感： 介绍激光雷达（Lidar）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）在空气质量监测、大气成分分析、污染物追踪等方面的应用。 激光在水体净化与污染物去除中的潜在应用。 第五章：未来趋势与挑战 本章将对高性能激光技术在制造业中的未来发展进行展望，并探讨面临的挑战与机遇。 技术发展趋势： 更高功率与更高光束质量： 探讨激光器在功率密度、能量效率和光束质量上的持续提升。 超快激光器与精密加工的深化： 展望飞秒、阿秒激光在实现原子级精度加工的可能性。 激光器的小型化、集成化与智能化： 介绍激光器在微型化、模块化和与人工智能结合方面的进展。 新型激光介质与工作原理的探索： 展望拓宽激光应用范围的新型激光器技术。 激光与机器人、自动化系统的深度融合： 探讨智能化、柔性化生产线的构建。 面临的挑战： 成本控制与规模化生产： 如何降低高性能激光器的制造成本，使其更易于普及。 材料科学的制约： 某些特殊材料对激光加工的适应性问题。 工艺优化与过程监控： 建立更精准、更智能的激光加工过程控制系统。 安全与环保问题： 确保激光操作的安全性和减少潜在的环境影响。 人才培养与技术推广： 培养掌握激光技术的专业人才，推动技术的广泛应用。 通过对高性能激光技术在各个工业领域深入细致的阐述，本书旨在为读者提供一个全面、深刻的认识，理解激光技术如何作为现代工业的“脉搏”，驱动着制造业的持续进步与创新，并激发对未来技术发展方向的思考。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和印刷质量也值得一提，这对于长时间的深度阅读体验至关重要。纸张的质感很好，即便是大量阅读复杂的图表和公式，眼睛也不会感到明显的疲劳。更重要的是，书中的注释和参考文献部分做得极其规范和详尽，这对于希望进行下一步深入研究的读者来说是极大的便利。我发现，书中所引用的文献覆盖面很广，既包含了经典的奠基性工作，也有近几年的高水平研究成果，显示出作者对该领域的跟踪是全面且及时的。整体而言，这本书传递出一种沉稳、可靠的气质。它不追求花哨的表达，而是用最精确的语言，去描述最尖端的技术。对于任何想在该领域深耕的专业人士来说，这不只是一本参考书，更像是一位经验丰富的导师，用最结构化的方式，为你指明了太赫兹技术未来的发展方向和亟待解决的关键挑战。它的价值，在于它提供的知识密度和对行业前沿的深刻洞察力。

评分☆☆☆☆☆

我接触过不少关于电磁波和半导体器件的书籍，但很少有能像这本书一样，将材料选择和器件结构设计之间的复杂权衡关系描述得如此透彻的。它的叙事风格是那种非常冷静、克制的，字里行间透露着作者深厚的实践经验。在讨论源方面，作者似乎非常偏爱探讨异质结结构和量子级联的概念，将这些微观尺度的设计如何宏观地影响到太赫兹输出功率和频率纯度进行了细致的建模和论证。我发现，很多我之前在文献中模棱两可的地方，通过阅读这里的阐述，一下子就豁然开朗了。尤其是对不同半导体材料（如InP、GaAs等）在太赫兹发射效率上的差异对比分析，做得非常到位。这部分内容，绝对是为那些想要深入定制或优化器件的研发人员量身定做的。它不是告诉你“这样做是对的”，而是告诉你“为什么这样做在当前的技术约束下是最优的”，这种深入骨髓的工程哲学，才是这本书最宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，就像是进行了一次结构清晰、目标明确的知识攀登。它的内容组织非常具有层次感，从最基础的太赫兹物理背景切入，逐步过渡到源和探测器的关键技术，最后汇集到多领域的应用。这种从宏观到微观，再回归到应用系统的完整闭环，构建了一个非常坚实的知识体系。我注意到，作者在引入新概念时，总是会先给出清晰的物理图像，然后再引入数学描述，这使得那些复杂的公式推导过程也变得不那么令人生畏。相较于一些堆砌公式和实验数据的书籍，这本书更注重知识的内在逻辑和相互联系。它成功地架起了理论物理与实际工程之间的桥梁，让读者可以清晰地追踪一个技术点是如何从一个抽象的物理概念，一步步演化成一个可以实际测量的器件性能指标的。这种连贯性和系统性，对于构建完整的知识图谱至关重要，让我感觉自己对整个太赫兹技术链条的理解更加立体和全面了。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常专业，那种深邃的蓝色调搭配着精密的电路图纹理，一下子就抓住了我的眼球。我本来就是对光电子和射频领域有点研究基础的，所以看到这个标题——《半导体太赫兹源、探测器与应用》时，心里就有了强烈的期待。拿到书后，我迫不及待地翻开，首先映入眼帘的是它严谨的学术态度，每一个章节的布局都清晰可见，逻辑链条非常顺畅。它似乎没有试图用过于口语化的方式来“讨好”读者，而是直接切入核心技术难题。我特别欣赏它在基础理论部分的处理，没有简单地复述教科书上的概念，而是结合了最新的研究进展，比如在太赫兹波段的产生机制上，对不同类型半导体材料的特性做了深入的比较分析。这本书的图表制作水平也相当高，那些三维结构图和性能曲线图，精准地展现了复杂物理现象，这对于我理解一些微观层面的工作原理非常有帮助。可以说，从第一印象到内容初探，这本书都展现出一种务实而深厚的学术底蕴，让人感觉这是一部值得反复研读的工具书，而不是那种泛泛而谈的科普读物。它更像是工程师和研究人员的案头必备，提供了扎实的理论支撑和前沿的技术视野。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我一开始还担心内容会不会过于偏向理论，毕竟太赫兹技术涉及到很多前沿的量子效应和材料科学，一不小心就容易变得晦涩难懂。但是，这本书在应用层面的展开，完全超出了我的预期。它并没有把应用部分仅仅当作理论成果的简单罗列，而是深入剖析了不同应用场景对源和探测器性能的具体要求。比如，在生物医学成像方面，它详细讨论了如何通过优化源的带宽和探测器的灵敏度，来区分不同软组织之间的微小差异。这种结合实际工程需求的讨论，让我这种关注产业化的人士感到非常受用。我尤其对其中关于太赫兹时域光谱（THz-TDS）在安检和质量控制中的应用实例很感兴趣，书中提供的案例分析非常详尽，从系统搭建到数据反演的每一步都讲解得条分缕析。它没有回避实际应用中遇到的挑战，反而坦诚地指出了现有技术的局限性以及未来可能的发展方向，这种直面问题的态度，比那些只报喜不报忧的书籍要可信得多。这本书的实用价值，很大程度上就体现在它对“如何做”的深入探讨上。